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Lichtvor 3 Monaten

LEDs dimmen: Grundlagen und Schwierigkeiten

Ein Fachbeitrag von Denis Hessberger

Dieser Beitrag wird präsentiert von: Infinity Intelligent Light
Infinity Signature Series von Highlite International # © Highlite
Signature Series von Infinity Intelligent Light # © Infinity Intelligent Light

Wer kennt es nicht? Man hat ein schönes Weiß mit einem LED Scheinwerfer gemischt und der Kunde bittet darum, die Lampe in 30 Sekunden soft auszublenden.

Die Lampe dimmt bis zu 30 Prozent hübsch runter und plötzlich bekommt das Weiß einen grünlichen Teint, der immer schlimmer wird, bis der Scheinwerfer mit einem großen Helligkeitssprung ausgeht. Warum eigentlich? Lässt sich das umgehen?

Dieser Artikel beschreibt, welche Möglichkeiten zur Dimmung es gibt, was es mit der Frequenz auf sich hat, die man so oft in LED Scheinwerfern einstellen kann und welchen Einfluss die interne Auflösung auf das Dimmverhalten hat.

Am Ende soll der Leser in der Lage sein, diese Schwächen bei einem Shootout zu erkennen und zu beurteilen. Dafür stelle ich eine kurze Checkliste zusammen.

Wie funktioniert eine LED?

Eine Light Emitting Diode (LED), auch Leuchtdiode, besteht im wesentlichen aus zwei sich berührenden Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften (unterschiedliche Bandlücken). Durch eine in der korrekten Richtung angelegte Spannung fließen Elektronen durch die Schnittstelle (Junction).

Beim Übergang der Elektronen kommt es zur Emmission von Licht. Die Farbe der LED wird dabei durch die verwendeten Materialien bestimmt. Je höher der Strom ist, der durch die Diode fließt, desto heller leuchtet diese.

Also wird die LED über die Regulierung des Stroms gedimmt?

Die Regulierung des Stroms, welcher durch eine LED fließt, ist eine Möglichkeit zur Dimmung von LEDs. Diese Variante bietet stufenloses Dimmen, allerdings muss diese Regulierung sehr genau erfolgen und auf die jeweilige LED abgestimmt sein. Die Fertigungstoleranzen von LEDs variieren und LEDs (selbst des gleichen Typs) leuchten dadurch bei reduzierten Strömen unterschiedlich hell und driften zusätzlich in der Farbe.

Das lässt sich zwar kontrollieren, wenn jede LED einzeln angesteuert wird, ist aber relativ aufwändig. Hinzu kommt, dass dies in einem Cluster (mehrere Emitter, welche in einem Paket zu einer “virtuellen” großen LED zusammengefasst werden) aus LEDs für den Benutzer wenig bis keinen Mehrwert bietet. Zudem verstärkt die Erwärmung und der Alterungsprozess der LED diesen Effekt massiv.

Farb- / Spektralverschiebung bei grünen LEDs bei der Dimmung mit Strom. # © Bretgeld Engineering GmbH

Welche Alternativen Möglichkeiten zur Dimmung gibt es?

Die meistgenutzte Variante zur Dimmung von LEDs ist die PWM (Pulsweitenmodulation). Dabei wird ein konstanter Strom zugeführt, welcher bei den LEDs für eine konstante, gleiche Helligkeit sorgt.

Dadurch werden unter anderem Fertigungstoleranzen in den LEDs und anderen elektronischen Bauteilen wie Widerständen umgangen, welche in erster Linie auf die angelegte Spannung wirken.

Die LED wird gedimmt, indem innerhalb einer gewissen Zeitspanne das Verhältnis zwischen den An- und Ausphasen der LED geändert wird. So erscheint diese für unser Auge und für Kameras dunkler, als sie eigentlich ist.

Beispiel der Pulsweitenmodulation mit 75%, 50% und 25% Heliigkeit. # © Denis Hessberger

So gilt in der Theorie:
Bei 50% Helligkeit ist die LED 50% der Zeit in einem Zyklus aus, und 50% der Zeit an.
Bei 25% Helligkeit 25% an und 75% aus.
Bei 75% Helligkeit 75% an und 25% aus. Und so weiter.

Der Zyklus an sich wiederholt sich x mal die Sekunde. Diese Wiederholrate wird in Hertz angegeben und in der Regel „PWM Frequenz“ genannt.

Sollte ich dann die LED nicht Flackern sehen?

Ja, und nein. Die PWM Frequenz sollte, um für unser Auge kein wahrnehmbares Flackern zu zeigen, über 200 Hertz liegen (Der Zyklus sollte sich also mehr als 200-mal pro Sekunde wiederholen). Kameras hingegen benötigen aufgrund deren Funktionsweise eine deutlich höhere Frequenz, da sonst Effekte wie zum Beispiel der „Rolling Shutter“ auftreten können.

Videobeispiel: Rolling-Shutter-Effekt

Die Frequenz allerdings wird durch die verwendete Elektronik limitiert: Zum generieren des PWM-Signals werden Mikroprozessoren genutzt. Die Frequenz, bzw. die Zykluslänge hängen dann davon ab, wie „schnell“ diese sind, also mit welcher Frequenz hier das Signal generiert werden kann.

Was versteht man unter „Auflösung“?

Die Auflösung gibt an, wie viele Zwischenschritte (Auch „Einheiten“ genannt) ein PWM-Zyklus hat. Als Beispiel sei an dieser Stelle eine (nutzlose) Auflösung von 1bit genannt: Bei einem bit Auflösung gibt es zwei Möglichkeiten, also zwei verschiedene Helligkeiten in einem PWM Zyklus. Bei einer Auflösung von 8 Bit gibt es 256 verschiedene Helligkeiten, bei 16 bit sind es schon 65536 Möglichkeiten pro PWM-Zyklus.

Bei 16 Bit Auflösung und 1100Hz PWM Frequenz wird die LED 1100 mal pro Sekunde an und ausgeschaltet, wobei das Verhältnis zwischen An- und Auszeit in 65535 Stufen variiert werden kann. Der Prozessor muss dafür 72 Millionen Mal innerhalb einer Sekunde entscheiden ob die LED an oder ausgeschaltet werden soll.

Viele Hersteller geben die interne Auflösung der Dimmung oft nicht an. Und selbst wenn ein Gerät einen 16bit-DMX-Modus hat, heißt das nicht automatisch, dass die LED Dimmung auch mit 16bit Auflösung ausgeführt wird.

Warum sollte die Auflösung möglichst hoch sein?

Die Auflösung sollte aus mehreren Gründen möglichst hoch sein. Der erste Grund wäre, dass eine LED anders als bei einer Glühlampe keinen Glühdraht hat, welcher sich aufwärmen oder abkühlen muss, und im Vergleich zu Entladungslampen gibt es kein Gasgemisch, welches auf Betriebstemperatur gebracht werden muss.

Eine LED liefert direkt die volle Leistung, und geht auch direkt wieder aus. Deswegen würden wir bei einer zu geringen Auflösung die Helligkeitsschritte sehen können.

Ein weiteres Problem beim Dimmen von LEDs ist, dass das Verhältnis von Soll- zu Ist-Intensität nicht linear ist. Dies fällt besonders in den unteren sowie oberen 5 Prozent der Helligkeit auf, und ist je nach LED-Farbe unterschiedlich stark ausgeprägt. Dabei spielen sowohl Effekte in der LED, als auch in der ansteuernden Elektronik eine Rolle.

Soll- zu Ist-Intensität von LEDs im gesamten Helligkeitsverlauf. # © Bretgeld Engineering GmbH

Die in der Grafik dargestellten Farben entsprechen den vermessenen LED Farben Rot, Amber, Lime, Grün, Cyan, Blau und UltraBlau. Die Schwarze Linie stellt einen perfekten Linearen Helligkeitsverlauf dar.

Die folgende Grafik zeigt die unteren 5 Prozent ein wenig genauer:

Soll- zu Ist-Intensität von LEDs in den unteren 5%. # © Bretgeld Engineering GmbH

Die Grafik zeigt deutlich, dass die Farben Lime, Amber, Rot, Grün und Cyan bei einem geringen PWM-Eingangswert sehr hell sind. So hat Lime zum Beispiel bei einem Eingangswert von 1% bereits eine abgegebene Helligkeit von über 2%.

Zudem wird es bei einer geringeren Auflösung schwierig, alle in einem Scheinwerfer verbauten Farben auf das gleiche Helligkeitsniveau zu bringen, so dass eine Farbdrift bei gemischten Farben in den unteren 5% des Dimmbereichs fast unumgänglich ist.

Das Problem fällt noch massiver auf, wenn keine lineare, sondern eine Square oder eine Logarithmische Dimmerkurve gewünscht ist, da diese in den „dunklen“ Dimmbereichen deutlich feiner abgestuft sind.

Diese extremen Schwankungen können mit ausreichend hoher Auflösung, guter Elektronik und Software kompensiert werden, ohne das Abstufungen oder ein wegdriften der Farbe, insbesondere in den Grün- oder Rotbereich, erkennbar sind.

Leider ist es in unserer Branche häufig der Fall, dass Hersteller das Problem umgehen, indem sie die ersten paar Prozent einfach „abschneiden“ und der Scheinwerfer bei einem geringen DMX Wert direkt auf einen höheren Wert der internen Helligkeit springt und damit die Problemzone überspringt. Das Resultat ist eine relativ hohe Einschalthelligkeit, die je nach Gerät mehr oder weniger stark ausgeprägt ist.

Das klingt fast, als müsste ich mich zwischen hoher Frequenz oder hoher Auflösung entscheiden?!

Richtig. Die Frequenz ebenso wie die Auflösung ergeben sich aus der Geschwindigkeit des Mikroprozessors. Als Faustformel gilt: Jede Erhöhung der Auflösung um ein Bit bedeutet eine Halbierung der PWM-Frequenz.

Viele LED Scheinwerfer bieten eine Menüoption um die PWM-Frequenz zu ändern. Oft hat dies auch einen direkten Einfluss auf die Auflösung.

Die in Scheinwerfern genutzten Mikroprozessoren operieren in der Regel mit weniger als 200 Megahertz. Zum Vergleich: Ein aktueller Computer hat pro Rechenkern eine Taktfrequenz von bis zu 3,4 GHz also 8,5 mal so viel.

Infinity Signature Series von Highlite International # © Highlite

Signature Series von Infinity Intelligent Light # © Infinity Intelligent Light

Kann man dann nicht einfach einen schnelleren Mikroprozessor verwenden?

Könnte man, allerdings ist das aufgrund der in der Regel geringen Stückzahlen in der Veranstaltungsbranche dann oft nicht mehr wirtschaftlich. Schnellere Prozessoren werden auch sehr schnell teurer und bieten oft mehr Features, als gewünscht. Dazu kommt, dass der Prozessor nicht direkt an die LED angeschlossen wird, sondern danach noch eine Leistungsendstufe hat, um die hohe Leistung der Dioden schalten zu können. Die maximale Frequenz wird in jedem Fall aber durch die verwendete Leistungsendstufe limitiert.

Für die Leistungsendstufe gibt es ebenfalls mehrere Möglichkeiten:

Die günstigere und einfachere Lösung ist es, einen fertigen Chip zu kaufen, der einen PWM-Eingang hat und sich um die Regelung des konstanten Stroms für die LED kümmert. Diese Chips bieten beim dimmen in der Regel aber nur eine geringe Auflösung, also eine geringe Anzahl an Zwischenstufen beim dimmen.

Die in der Entwicklung und Herstellung teurere, aber für das Produkt bessere Möglichkeit ist es, eine Konstant-Stromquelle zu entwickeln, welche den Strom für die LED regelt und einen Transistor zum Schalten der LED zu verwenden. In diesem Fall ist der Transistor nicht mehr limitierend für die Auflösung, wohl aber kann ein Transistor nicht unbegrenzt schnell schalten.

Wenn LEDs so schnell sind, und millionen mal in der Sekunde geschaltet werden können, warum reagieren manche Scheinwerfer dann sehr träge auf Werteänderungen per DMX und blenden manchmal sogar langsam aus?

Das liegt daran, dass DMX ein sehr langsames (40 Hz, also 40 Änderungen pro Sekunde) und niedrig Auflösendes Protokoll ist. Wenn ein Scheinwerfer im 8 Bit Modus betrieben wird, ergibt das 256 Abstufungen in der Helligkeit. Somit würde man bei Überblendungen Schritte in der Dimmung sehen.

Als Beispiel ein Extremfall: Bei einer Überblendung von 0% zu 100% innerhalb von einer Minute würde sich der Wert pro Sekunde um rund 1,7% ändern. Dadurch, dass die LED die Änderung des Wertes direkt ausführt, wären deutliche Sprünge in der Helligkeit sichtbar.

Die Software in LED-Scheinwerfern führt daher intern in der Regel eine Überblendung zwischen den empfangenen und den ausgegebenen Werten durch. Im Scheinwerfer kann so die volle mögliche Auflösung für die Dimmung verwendet werden, auch wenn die DMX-Werte eine geringere Auflösung haben.

Im einfachsten Fall ist dies eine fixe, vom Hersteller vorgegebene Zeit, welche die Änderungsgeschwindigkeit der Werte nicht berücksichtigt. In Manchen Geräten lässt sich diese Zeit auch im Menü oder per Control-Kanal definieren. „Clevere“ Scheinwerfer hingegen enthalten Algorithmen, die versuchen zu erraten, was der Nutzer machen möchte um die interne Überblendzeit zu berechnen.

Wie kann ich das im Artikel gelernte für die Praxis nutzen?

Bei einem Shootout von LED Geräten ist es wichtig, sich die genannten Punkte genauer anzusehen, da diese in der Regel direkt auf die Qualität des Produktes hinweisen. Hier eine kurze Checkliste:

  • Gibt der Hersteller PWM-Frequenz und interne Auflösung der Dimmung an?
  • Kann ich die Frequenz der Pulsweitenmodulation ändern, und hat das einen Einfluss auf die Auflösung?
  • Wie hoch ist die Einschalthelligkeit, oder dimmt das Gerät Stufenlos von 0% auf 5%?
  • Gibt es beim Dimmen in den unteren 5% einen Farbdrift (insbesondere, wenn Weiß oder CTO mit den vorhandenen LED Farben gemischt wurde?)
  • Wie ist die Reaktionsgeschwindigkeit des Scheinwerfers, wenn ich diesen mit einem Fader in der Intensität regele?
  • Wie ist die Reaktionsgeschwindigkeit des Scheinwerfers, wenn ich diesen mit der Flashtaste zwischen 0 und 100% springen lasse?
  • Hat das Gerät mehrere LED Cluster, welche je aus unterschiedlichen Farben bestehen? Wenn ja, driften einzelne Cluster beim Dimmen in der Farbe, oder zeigen unterschiedliche Helligkeiten?
  • Sehe ich mit einer Kamera ein Flackern der LEDs, oder beim Aufnehmen von Fotos / Videos sogenannte „Rolling Shutter“ Effekte?

Im nächsten Artikel werde ich mich dem Thema Farben und Spektrum befassen und erklären, welche Unterschiede es hier bei den verwendeten LED gibt.

Die im Artikel gezeigten Grafiken wurden mit einem Ocean Optics STS Spektrometer gemessen und anschließend gemittelt. Die Werte können abhängig von den verwendeten LEDs und der Elektronik variieren.

Autor: Denis Hessberger

Redaktion 2
vor 3 Monaten


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